综述：原核生物与真核生物蛋白质分泌途径：分子机制、生物学功能及治疗机遇

《MedComm》：Pathways of Protein Secretion in Prokaryotes and Eukaryotes: Molecular Mechanisms, Biological Functions, and Therapeutic Opportunities

　　

蛋白质分泌是一项基础性生物学过程，对于细胞间通讯、基质重塑以及生命各域的整体稳态维持至关重要。尽管经典的内质网（ER）-高尔基体途径长期以来被认为是真核生物蛋白输出的主要路线，但数十年的研究表明，众多胞质蛋白和膜蛋白能够绕过这一经典途径。该替代性范式被称为非常规蛋白质分泌（UcPS），涵盖直接跨膜转运、囊泡介导释放以及高尔基体旁路机制。与此同时，原核生物利用高度特化的分泌机器递送效应蛋白。尽管这些框架已基本确立，但不同分泌途径的精确分子调控、货物分选机制以及它们之间的动态串扰仍未被完全阐明。本文系统综述了非常规蛋白质分泌（UcPS）与原核生物分泌系统的分子机制，并综合其进化适应特征与运行框架。通过梳理非囊泡孔道、细胞外囊泡中间体以及复杂细菌纳米机器复合体，研究人员阐明了细胞如何在应激状态下快速动员蛋白质。此外，本文强调了这些途径在促进生理适应与推动病理扩散中的双重作用。当前，相关分泌节点异常已被认为是神经退行性变、炎症性疾病和癌症转移的重要驱动因素。因此，调控非常规蛋白质分泌（UcPS）机制为未来医学提供了具有前景的多维治疗机遇。

1 Introduction

本文首先指出，蛋白质分泌是维持细胞稳态的基础过程。原核生物主要依赖一般分泌（Sec）与双精氨酸转运（Tat）途径跨越胞质膜输出蛋白；真核细胞则以经典内质网（ER）-高尔基体-质膜分泌级联为主，其终末步骤依赖可溶性NSF附着蛋白受体（SNARE）介导的膜融合。文章强调，部分蛋白如IL-1β、HIV-Tat和CFTR可在应激或病理条件下脱离高尔基体依赖路径完成分泌，由此推动了非常规蛋白质分泌（UcPS）概念的建立。作者进一步概述，真核UcPS现被系统分为四型：I型和II型涉及无信号肽蛋白的直接跨膜输出，III型依赖外泌体、微囊泡（MVs）和自噬体等囊泡载体，IV型则指已进入ER但绕过高尔基体成熟的货物。与此同时，原核分泌研究已扩展至I型至XI型分泌系统（T1SS-T11SS）。文章据此提出综述目标，即整合UcPS与原核分泌系统的机制、病理意义及治疗前景。

2 Classical Secretion Pathways

2.1 Sec Pathway

本节系统总结Sec途径作为最基础且高度保守的跨膜转运系统的结构与机制。在细菌中，SecYEG跨膜通道、SecA三磷酸腺苷酶（ATPase）、SecB及信号识别颗粒（SRP）等共同构成核心装置。带有N端信号肽的前体蛋白依据疏水性差异进入不同分支：高疏水性底物被SRP识别并与FtsY协同介导共翻译转运，主要适用于膜蛋白；低疏水性底物则由SecB、触发因子（TF）或SecA维持未折叠状态，进入翻译后转运过程。文章详细描述了SecA与SecYEG形成转位酶复合体后，通过ATP结合与水解驱动构象循环，促使前体蛋白分步穿越通道；同时SecY孔环、塞栓和侧门结构分别承担密封、开放与膜插入调控功能。完成转运后，信号肽由信号肽酶（SPase）切除，成熟蛋白在周质伴侣帮助下折叠。真核Sec途径则以位于ER膜上的Sec61αβγ复合体为核心，主要采取SRP介导的共翻译转运，但酵母中亦存在翻译后转运形式，体现出与原核Sec途径机制保守而组织层级更复杂的特点。

2.2 Tat Pathway

本节阐述Tat系统专门负责将胞质内已完全折叠、常含辅因子的蛋白经翻译后方式跨膜输出。TatA、TatB、TatC在静息态形成受体复合物，其中TatC胞质面保守区域识别双精氨酸基序。底物蛋白携带含双精氨酸信号肽后，被TatC特异识别并诱导TatBC复合物发生关键构象重排，使TatA得以募集和寡聚化，最终形成可供折叠底物穿越的转运状态。作者强调，Tat与Sec长期共存所带来的核心问题是底物如何被精确分选。Tat信号肽中双精氨酸基序、较低疏水性的h区以及具有“Sec回避”作用的碱性c区，共同保证Tat底物避免被Sec系统错误识别。文章还指出，两条通路并非完全独立，而是在某些双靶向蛋白中形成精密分工，例如Rieske铁硫蛋白先由Sec插入前段跨膜螺旋，再由Tat完成末端拓扑组装，体现出两系统在膜蛋白生物发生中的协同作用。

2.3 ABC Transporters

作者在本节将三磷酸腺苷结合盒转运体（ABC transporter）置于经典转运与非常规分泌的交界处讨论。该家族广泛存在于所有生物中，基本结构由核苷酸结合结构域（NBD）与跨膜结构域（TMD）构成，依赖ATP结合和水解释放能量，驱动底物跨膜转运。文中概述其闭合-开放构象循环如何控制底物结合、转位与释放，并指出TMD序列变化决定底物特异性。除脂质代谢和耐药相关功能外，部分ABC转运体还参与酵母和寄生生物的UcPS以及细菌T1SS。例如酿酒酵母a因子通过Ste6p分泌，裂殖酵母m因子和利什曼原虫HASPB也与ABC转运有关，提示该家族在非经典蛋白输出中具有跨界保守的重要性。

3 UcPS in Eukaryotes

3.1 Nonvesicle-Mediated UcPS

本节概述非囊泡介导UcPS的核心特征，即蛋白通过与质膜特定磷脂的电荷依赖性相互作用、寡聚化及孔道形成，实现不依赖ER-高尔基体的快速释放。作者将其区分为“自建”脂质孔与炎症驱动异源孔两类。

3.1.1 Self-Made Lipidic Pores

文章以成纤维细胞生长因子2（FGF2）为代表，系统说明I型UcPS的三步过程：FGF2首先被PI(4,5)P₂募集到质膜内侧，其后发生PI(4,5)P₂依赖的寡聚化与膜插入，最后在细胞外侧被肝素硫酸蛋白聚糖（HSPGs）捕获。Na⁺/K⁺-ATPase α1亚基为FGF2提供初始锚定平台，Tec激酶则通过FGF2 Tyr82磷酸化提高膜插入效率。作者总结，FGF2寡聚体可能通过改变膜曲率与构筑亲水微环境促进跨膜转位，而胆固醇通过增强PI(4,5)P₂簇集进一步促进该过程。HIV-Tat与FGF2共享类似分泌逻辑，同样依赖PI(4,5)P₂和HSPGs，但其膜结合更依赖Trp11插入脂双层，且孔形成不依赖二硫键介导寡聚化。

3.1.2 Inflammation-Driven Heterologous Pore Formation

本节围绕IL-1β的释放展开。文章指出，IL-1β首先以pro-IL-1β形式产生，其转录由病原体相关分子模式（PAMPs）诱导；随后需经炎性小体组装和caspase-1激活完成成熟。与FGF2不同，IL-1β不依赖PI(4,5)P₂直接成孔，而主要借助gasdermin D（GSDMD）裂解后N端片段形成质膜孔道，从而在焦亡（pyroptosis）或高反应性状态下释放。文中同时总结了P2X7受体通过K⁺外流、NLRP3炎性小体激活促进IL-1β成熟与分泌的作用，并指出IL-1β还可通过溶酶体、外泌体、微囊泡等多条路径输出。对于无caspase-1环境，文章提及中性粒细胞蛋白酶可在无菌损伤等条件下将pro-IL-1β加工为成熟形式，说明IL-1β分泌具有明显多机制并存特征。

3.2 Vesicle-Mediated UcPS

作者指出，无信号肽蛋白除直接跨膜外，还可借助多种囊泡系统完成分泌，涉及外泌体、微囊泡、自噬体、溶酶体等多个细胞器与运输节点。

3.2.1 Exosome

本节介绍外泌体起源于早期内体（EEs），经内体分选复合体（ESCRT）介导内陷形成腔内小泡（ILVs），并在Rab5-Rab7转换、Arl8b转运、Rab27/Rab37/Rab39调控及SNARE复合体介导下，由多泡体（MVBs）与质膜融合后释放。作者举例说明，外泌体可装载IL-1β、caspase-1等炎症相关因子，也能传播Tau与α-突触核蛋白（α-Syn）等神经退行性病理蛋白，从而参与炎症放大和蛋白病理扩散。

3.2.2 Microvesicle (Ectosome)

微囊泡（MV）通过质膜向外出芽形成，其发生依赖Ca²⁺升高、膜磷脂不对称性重排、胆固醇富集及肌动蛋白-肌球蛋白收缩。RHO家族小GTP酶、Cdc42、IQGAP1以及ESCRT-III/VPS4等参与其出芽与切离。文章指出，MV可携带IL-1β影响神经元突触，亦参与Tau、生热休克蛋白70（HSP-70）及肿瘤来源微囊泡（TMVs）的释放，体现其在炎症、心肌保护和肿瘤进展中的双重效应。

3.2.3 Autophagosome

本节是全文机制论述最复杂的部分之一。作者将分泌性自噬分为ERGIC-分泌性自噬体途径与直接非经典自噬体分泌途径。前者中，TMED10在HSP90协助下转运无信号肽货物进入ER-高尔基中间区（ERGIC），Rab1和Rab2A参与TMED10寡聚及ERGIC分区，TRIM16与Sec22b协助将IL-1β等货物递送至LC3-II阳性膜结构，并通过SNARE复合体与质膜融合实现释放。作者还综述了自噬体与MVB融合形成amphisome后再分泌的模式，以及酵母中由Grh1液-液相分离（LLPS）启动的非常规蛋白分泌区室（CUPS）如何介导Acb1分泌。对于LDELS和SALI两条直接非经典分支，文章分别概括了LC3依赖性细胞外囊泡装载与在溶酶体功能受损时自噬体改道分泌的机制。此后作者又扩展至MAPS、DNAJC5介导α-Syn分泌，以及HMGB1、MMP9、TIMP1、胰岛素和病毒蛋白ORF3a/ORF7a等货物如何借助分泌性自噬输出，显示该途径既是蛋白质稳态缓冲系统，也是病理因子扩散平台。

3.2.4 Golgi Bypass

作者指出，一部分带有信号肽的蛋白虽进入ER，却在应激条件下绕过高尔基体直接到达细胞表面。该途径常保留ER核心糖基化特征，因而可通过未成熟糖基化状态加以识别。GRASP55被描述为该旁路的重要调控因子：在应激诱导下，其Ser441磷酸化改变寡聚状态并促使其从高尔基体重定位至ER，参与异常积累蛋白的输出。CFTR尤其是ΔF508-CFTR、pendrin、peripherin/rds以及轴突膜蛋白等均可利用不同形式的高尔基旁路实现快速定位。作者还指出，此类运输涉及COPII小泡、Rab18阳性囊泡、Sec22b阳性囊泡及含LAMP1、VAMP7等成分的混合身份细胞器，反映出该旁路并非单一路径而是多种应激适应性输出模式的集合。

4 Prokaryotic-Specific Secretion Mechanisms

4.1 Secretion Systems of Prokaryotes

本节聚焦原核特异性分泌系统中与无信号肽输出最接近的T1SS、T3SS、T6SS与T7SS。T1SS由ABC转运体、周质衔接蛋白（PAP）和外膜因子TolC样通道构成，可一步式将未折叠毒力底物直接由胞质输出至胞外。T3SS则为针状注射装置，借助分选平台（SP）、ATPase SctN及针复合体，按早、中、晚底物层级将转位子和效应蛋白依次输送入真核宿主细胞。T6SS结构类似噬菌体尾部，由膜复合体、基板、收缩鞘、Hcp管及VgrG-PAAR刺突组成，通过鞘收缩将毒素注入靶细胞。T7SS主要见于分枝杆菌等，识别WXG和YXXXD/E基序底物，依赖EccB/C/D/E、MycP等膜复合体以及EspG、EspH、EccA等伴侣完成转运。作者强调，这些系统虽结构迥异，但共同体现出原核生物对定向效应蛋白递送的高度进化适应。

4.2 Pathogenicity

作者进一步总结上述系统在致病中的功能。T1SS可分泌RTX毒素、黏附因子及免疫调控蛋白，用于裂解宿主细胞、促进侵袭和抑制炎性小体。T3SS通过向宿主胞质直接注入效应蛋白，重塑代谢、细胞骨架和炎症反应，是多种肠道和系统性感染的重要致病核心。T6SS既可攻击宿主，也能清除微生物竞争者，在突破血脑屏障、塑造菌群失衡和增强感染力方面具有关键作用。T7SS则在免疫逃逸、营养获取、耐受宿主脂肪酸应激以及组织定植中发挥重要作用，尤其与结核分枝杆菌和金黄色葡萄球菌等病原体毒力密切相关。

5 Emerging Pathways—Migrasome

本文将迁移体（migrasome）作为新兴运输结构加以介绍。迁移体形成于迁移细胞回缩纤维末端和交汇处，其发生依赖SMS2、PIP5K1A、PI(4,5)P₂、Rab35及整合素α5与细胞外基质（ECM）的黏附。Syt-1与四跨膜蛋白4（TSPAN4）共同促进其成熟，Rab10阳性囊泡再经VAMP2与syntaxin4/SNAP23融合进入迁移体。作者概括其可参与趋化因子、线粒体及ECM相关蛋白的定向输送，在胚胎发育、血管生成、肿瘤侵袭和凝血调控中具有作用。

6 Biological Functions and Physiological Roles

6.1 Intercellular Communication and Signal Transduction

作者指出，UcPS在生理条件下是快速、定向细胞通讯的重要补充。FGF2的直接跨膜分泌支持血管生成与组织修复；外泌体、微囊泡和分泌性自噬则通过转运α-Syn、HSP-70、annexin A2等实现神经、心肌和上皮细胞间信号交流。迁移体则以空间局域化方式沉积CXCL12等信号分子，建立微环境梯度。高尔基旁路在神经元和免疫细胞中通过特定膜蛋白的快速表面定位，维持动作电位起始、突触传递和T细胞信号稳态。

6.2 ECM Remodeling

本节强调分泌途径与ECM重塑的双向关系。迁移体依赖整合素-ECM相互作用形成，同时又可释放PAK4、LAMA4等增强胶质母细胞瘤侵袭。高尔基旁路可促进整合素αPS1及MT1-MMP定位到特定膜域，参与黏附建立与基质降解。分泌性自噬则介导MMP9与TIMP1释放，提示该系统在促进或限制肿瘤迁移中的作用具有情境依赖性。

7 Disease Connections and Therapeutic Opportunities

7.1 Cancer and Metastasis

文章总结，细胞外囊泡、分泌性自噬和TMED10相关UcPS在肿瘤微环境塑造中具有关键作用。HMGB1、PKCδ、TIMP1及胞外PTEN分别参与巨噬细胞极化、肿瘤生长调控和转移抑制，提示分泌节点既可能促癌，也可能抑癌。

7.2 Neurodegenerative Diseases

作者指出，α-Syn、Tau、Aβ、突变SOD1及突变Huntingtin等病理蛋白均可通过外泌体、分泌性自噬或其他UcPS途径输出并扩散。与此同时，FGF2相关策略被认为可能改善Aβ清除与神经发生，具有潜在治疗意义。

7.3 Infection and Immune Evasion

在感染和免疫病中，HMGB1、IL-1β、IL-33及病毒蛋白可通过ATG5/GORASP2或TMED10相关途径分泌，驱动银屑病、系统性红斑狼疮、类风湿关节炎及病毒性肺炎等病理过程。HIV-Tat的非常规分泌则与神经认知损伤、肾病和心血管异常相关。

7.4 Therapeutic Strategies Targeting Secretory Mechanisms

作者认为，治疗策略正从清除单一病理蛋白转向调控分泌机制本身。工程化外泌体可作为定向递送载体；针对ABC转运体、GSDMD、VPS35及分泌性自噬关键节点的小分子干预则为肿瘤、炎症和神经退行性疾病提供新方案。但作者同时强调，临床转化仍受限于靶向效率、通路代偿和生理稳态平衡等问题。

8 Conclusion and Future Perspectives

结论部分提出，真核UcPS与原核特异分泌系统虽然结构差异显著，但都服务于在特定应激状态下快速跨越脂质双层转运特定蛋白这一共同目标。作者总结出若干共同设计原则，包括无经典信号肽条件下的选择性识别、孔道形成介导的快速转运以及ABC转运体等能量驱动模块的进化保守性。同时，文章明确指出该领域仍面临多个关键未解问题，如同一货物是否可并行使用多条非常规分泌路径、不同分泌方式之间是否存在动态切换、自噬体进入分泌分支是被动改道还是主动选择、以及大量新型分泌蛋白的确切机制尚待厘清。最后，作者认为冷冻电镜、单分子成像、定量分泌组学等技术将推动该领域从机制解析走向临床转化，使非常规蛋白质分泌成为未来转化医学的重要支点。